JP2023085989A - 量子化器、及び光送信機 - Google Patents

Abstract

【課題】量子化雑音を低減する技術を提供する。【解決手段】量子化器は、所定のレートでサンプリングされたサンプル値の量子化レンジを超える部分をクリップするクリッパと、クリップされたサンプル値に基づいて量子化レベルの候補を複数決定し、各候補に生じる雑音の中で低周波領域の雑音が最小となる最小雑音をクリッピング前の前記サンプル値に加算した値を量子化値として出力するノイズシェイパと、を有する。【選択図】図８

Description

本開示は、量子化器、及び光送信機に関する。

近年、フレキシブルデータデータレートを実現するために、ＰＣＳ（Probabilistic Constellation Shaping：確率的コンステレーション整形）を用いた多値変調方式や、大容量短距離通信用の超多値変調が実用化されつつある。送信される情報量、特にボーレートが増えると、光送信機のＤＡＣ（Digital-to-Analog Converter：デジタルアナログ変換器）のビット分解能への要求も高くなるが、ＤＡＣのビット分解能には限界がある。むしろ、ＤＡＣのビット分解能が低いほうが消費電力を抑制でき、設計が容易になる。

デジタル信号処理とコヒーレント光伝送を組み合わせたデジタルコヒーレント方式の光通信では、デジタル化の過程で量子化雑音が発生する。量子化雑音はデジタル変換における誤差である。変調方式のレベルやボーレートが高くなっても、量子化雑音を低減して、低ビット分解能のＤＡＣにも対応できることが望ましい。

図１は、一般的な量子化モデル１を示す。信号処理回路でサンプリングされたサンプル値Ｘ（ｎ）は、量子化レンジの範囲内で、最も近い量子化レベルに切り上げ、または切り下げられる。量子化レベル間の距離Δは、量子化ステップサイズと呼ばれる。量子化前のサンプル値Ｘ（ｎ）と、量子化後の値ｑ（ｎ）との誤差が、量子化雑音ｑ_noiseとなる。量子化雑音は、周波数軸に対してフラットなホワイトノイズの特性を持つ。

図２は、量子化モデル２を示す（たとえば、非特許文献２参照）。軟量子化（Soft Quantization：ＳＱ）により、サンプリング出力ｘ（ｎ）に最も近い量子化レベル２と、その上下の量子化レベル１及び３を含めて、３つの候補ｃ_ｉ－１、ｃ_ｉ、ｃ_ｉ＋１が決定される。パスメトリック計算により、３つの候補の各々について量子化誤差が計算される。硬量子化（Hard Quantization：ＨＱ）により、Ｎ個のサンプリング出力にわたって平均二乗誤差が最も小さくなる候補が選択され、量子化値ｘ_Ｑ（ｎ）が出力される。

Yaron Yoffe, Eyal Wohlgemuth, Dann Sadot, Digitally Enhanced DAC : Low Resolution Digital Pre-Compensation for High Speed Optical Links, Optical Society of America, 2018

量子化雑音を抑制することができれば、変調方式のレベルやボーレートが高くなっても、ビット分解能が高くないＤＡＣで、誤差の少ないアナログ電圧信号を生成することができる。一つの側面で、本発明は量子化雑音を低減する技術を提供することを目的とする。

一実施形態では、量子化器は、
所定のレートでサンプリングされたサンプル値の量子化レンジを超える部分をクリップするクリッパと、
クリップされたサンプル値に基づいて量子化レベルの候補を複数決定し、各候補に生じる雑音の中で低周波領域の雑音が最小となる最小雑音をクリッピング前の前記サンプル値に加算した値を量子化値として出力するノイズシェイパと、
を有する。

量子化雑音を低減する技術が実現される。

量子化モデル１の模式図である。 量子化モデル２の模式図である。 実施形態の量子化器が適用される光送信機のブロック図である。 量子化器と信号処理回路の基本構成を示す図である。 量子化プロセスのフローチャートである。 クリッピング処理の模式図である。 ３つの量子化レベル候補を用いる例を示す図である。 量子化器の具体的な処理構成を示す図である。 ノイズシェイパのフィルタ特性を示す図である。 ５つの量子化レベル候補の設定を示す図である。 ５つの量子化レベル候補を用いた量子化器の処理構成を示す図である。 効果検証のためのシミュレーションモデルの模式図である。 条件１でのＯＳＮＲ耐性の比較結果を示す図である。 条件２でのＯＳＮＲ耐性の比較結果を示す図である。 条件３でのＯＳＮＲ耐性の比較結果を示す図である。 最適タップ係数のクリッピング強さ及びＤＡＣサンプリングレートへの依存性を示す図である。 最適タップ係数の選択方法のフローチャートである。 ナイキストスペクトル情報を用いたタップ係数最適化のブロック図である。 伝送路の透過特性情報を用いたタップ係数最適化のブロック図である。

以下で、図面を参照して実施形態の構成と手法を説明する。以下の記載で、同じ構成要素に同じ符号を付けて、重複する説明を省略する場合がある。

図３は、実施形態の量子化器１００が適用される光送信機１０のブロック図である。光送信機１０は、信号処理器１２、量子化器１００、ＤＡＣ１４、光源（図中、「ＬＤ」と表記）１６、及び光変調器１７を有する。量子化器１００は、信号処理器１２とともにＤＳＰ（Digital Signal Processor：デジタル信号プロセッサ）１５の集積回路基板に含められてもよいし、信号処理器１２と別のＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit：特定用途向け集積回路）で実現されてもよい。図３で、ＤＳＰ１５は送信側の処理を行うという意味で「Тｘ ＤＳＰ」と表記されている。

信号処理器１２でサンプリングされたサンプル値Ｘ（ｎ）は、量子化器１００で量子化され、デジタルデータとしてＤＡＣ１４に入力される。サンプル値Ｘ（ｎ）は、サンプリング点での振幅を表す数値であるのに対し、量子化器１００から出力されるデジタルデータは、「０」、「１」などの整数値を表す。ＤＡＣ１４は、入力されたデジタルデータをアナログ電圧信号に変換する。ＤＡＣ１４の出力に基づいて、変調器ドライバアンプ（図示を省略）で駆動信号が生成され、光変調器１７の信号電極に入力される。

光変調器１７は、たとえば、ＤＰ－ＱＰＳＫ（Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying：偏波多重直交位相シフトキーイング）方式の変調器であり、Ｘ偏波とＹ偏波のそれぞれについて、ＭＺ（Mach-Zehnder：ＭＺ）干渉計で形成されたＩＱ変調器を有する。ＤＡＣ１４から４つのアナログ電圧信号が出力され、Ｘ偏波用のＩアームとＱアーム、及び、Ｙ偏波用のＩアームとＱアームに駆動信号が入力される。

光源１６から出力された搬送波は、Ｘ偏波用とＹ偏波用に分岐され、対応するＩＱ変調器の各アームで屈折率変化に応じた位相変調を受ける。各アームを形成する子ＭＺ干渉計と、子ＭＺ干渉計を入れ子にした親ＭＺ干渉計による干渉で、強度変調された光信号が光変調器１７から出力される。

図４は、量子化器１００と信号処理器１２の基本構成を示す。信号処理器１２に、送信データ１２１が入力される。送信データは、たとえば、バイナリーのビット列である。送信データ１２１は、ＦＥＣ（Forward Error Correction：前方誤り訂正）プリコーダ１２２で誤り訂正符号化処理を受け、コンステレーションマッパ１２３で、コンステレーション（ＩＱ複素平面）上のシンボル点にマッピングされる。このとき、シンボル点の確率分布シェイピングが行われてもよい。

アシスタント信号挿入器１２４は、シンボル点のそれぞれに既知のアシスタント信号を挿入する。アシスタント信号は、ＯＳＮＲ等の伝送路状況の推定に用いられる。プリエンファシス及びパルスシェイパ１２５で、信号減衰をあらかじめ補償するプリエンファシスと、パルス整形が、偏波ごとに行われる。

リサンプラ１２６は、整形された波形を、所定のサンプリングレートでサンプリングする。リサンプラ１２６は、本来の信号の周波数よりも高いサンプリングレートでオーバーサンプリングして、サンプル値Ｘ（ｎ）を信号処理器１２から出力する。ここで、ｎは時間軸上の番号である。たとえば、６０ギガボーのパルス列を２倍にオーバーサンプリングしたサンプル値Ｘ（ｎ）が、量子化器１００に入力される。

量子化器１００は、クリッパ１０１と、ノイズシェイパ１０３を有する。クリッパ１０１は、所定のレートでサンプリングされたサンプル値Ｘ（ｎ）の、量子化レンジを超える部分をクリップする。ノイズシェイパ１０３は、クリッパ１０１でクリップされたサンプル値に基づいて量子化レベルの候補を複数決定し、各候補に生じる雑音の中で低周波領域の雑音が最小となる最小雑音をクリッピング前のサンプル値に加算した値を、量子化値として出力する。

ＤＡＣ１４の最大入力電圧範囲を超える送信信号が発生した場合、量子化の段階で送信信号をクリッピングせざるを得ない場合がある。しかし、クリッピングによりＤＡＣ１４の出力に歪が生じるため、一般的には、サンプル値Ｘ（ｎ）がＤＡＣ１４の最大入力電圧範囲内にあるように設定されている。

実施形態では、量子化器１００に入力されるサンプル値Ｘ（ｎ）が、ＤＡＣ１４の最大入力電圧範囲、すなわち量子化器１００の量子化レンジよりも大きくなるように、サンプル値Ｘ（ｎ）を振幅方向に引き延ばす。サンプル値Ｘ（ｎ）の引き延ばしは、量子化器１００に入力される前に行ってもよいし、量子化器１００の内部で行ってもよい。後者の場合、クリッパ１０１の内部に、入力されたサンプル波形を振幅方向に引き延ばすエクスパンダを備えていてもよい。

クリッパ１０１は、入力されたサンプル値Ｘ（ｎ）のうち、ＤＡＣ１４の最大入力電圧範囲、すなわち量子化レンジを超える部分をクリップする。クリッピング係数は、０．７（３０％のクリッピング）、０．８（２０％のクリッピング）など、適切な値に設定される。クリッピング後のデータをＸ'（ｎ）とする。クリッピングにより、実際のサンプル値Ｘ（ｎ）からの誤差、すなわちクリッピング雑音が発生する。

ノイズシェイパ１０３は、クリッピング前のサンプル値Ｘ（ｎ）を用いて、クリッピング後のデータＸ'（ｎ）の雑音を整形する。クリッピング後のデータの雑音には、クリッピング雑音と、量子化雑音が含まれる。ノイズシェイパ１０３は、現在のシンボルのクリッピング後のデータＸ'（ｎ）の対し、複数の量子化レベルの候補を抽出する。候補の数は、ＤＡＣ１４のビット分解能を考慮して、あらかじめ設定されている。それぞれの候補の量子化レベルと、クリッピング前のサンプル値Ｘ（ｎ）との差分を計算する。この差分は、クリッピング雑音と量子化雑音を足し合わせた合計雑音である。

ノイズシェイパ１０３は、低周波成分を取り出すフィルタ処理により、合計雑音から高周波成分を取り除き、低周波領域で合計雑音が最も小さくなる量子化レベルを選択する。これにより、ＤＡＣ１４のビット分解能に対応できるように、量子化雑音が低減される。クリッピングで、サンプル値Ｘ（ｎ）の波形のピークが切り落とされるが、ＤＡＣ１４の入力電圧範囲内では分解能が高くなり、結果的に量子化雑音が低減される。切り落とされたピークはクリッピング雑音であり、量子化雑音に追加される。

クリッピング後のデータＸ'（ｎ）と、クリッピング前のサンプル値Ｘ（ｎ）との差分で、クリッピング雑音と量子化雑音の合計が算出できる。クリッピング後のデータＸ'（ｎ）の対し、抽出したＤＡＣの量子化レベルの候補を整形技術で選別することによって、ＤＡＣの入力範囲以内のクリッピング雑音と量子化雑音の低周波成分を低減できる。高周波の雑音成分は拡大されるが、受信ＤＳＰのイコライザは理想フィルタなので、主信号スペクトルの外側の雑音はカットされる。したがって、信号スペクトルの中に含まれる雑音だけが残り、その雑音成分のみが主信号に影響を与える。以下で、量子化器１００の具体的な動作と、より詳細な処理構成を述べる。

図５は、量子化器１００で行われる量子化プロセスのフローチャートである。まず、現在のシンボルのサンプル値Ｘ（ｎ）を入力する（Ｓ１１）。サンプル値Ｘ（ｎ）は、信号処理器１２によってリサンプリングされた振幅データである。次に、サンプル値Ｘ（ｎ）をクリップして、クリッピング後のデータＸ'（ｎ）を取得する（Ｓ１２）。必要に応じて、クリッピング前にサンプル値Ｘ（ｎ）の波形を振幅方向に引き延ばしてもよい。

次に、クリッピング後のデータＸ'（ｎ）を用いて、複数の量子化レベル候補を決定し（Ｓ１３）、各候補の雑音Ｓ_noiseを計算する（Ｓ１４）。雑音Ｓ_noiseは、クリッピングノイズｃ_noiseと、量子化ノイズｑ_noiseの合計値である。クリッピングノイズｃ_noiseは、入力されたサンプル値Ｘ（ｎ）と、クリッピング後のデータＸ'（ｎ）との差で表される。量子化ノイズｑ_noiseは、クリッピング後のデータＸ'（ｎ）と、各候補の量子化レベルｑ'との差で表される。したがって、合計の雑音Ｓ_noiseは、Ｘ（ｎ）－ｑ'で表される。
ｃ_noise＝Ｘ（ｎ）－Ｘ'（ｎ）
ｑ_noise＝Ｘ'（ｎ）－ｑ'
Ｓ_noise＝Ｘ（ｎ）－ｑ'

複数の量子化レベル候補の中から、雑音Ｓ_noiseに含まれる低周波雑音ＬＦ_noiseの絶対値が最も小さい量子化レベルを選択する（Ｓ１５）。選択された量子化レベルの雑音Ｓ_noise（すなわち、低周波領域での雑音が最も小さい雑音）を、クリッピング前のサンプル値Ｘ（ｎ）に加算して（Ｓ１６）、最終的な量子化結果として出力する（Ｓ１７）。この出力がＤＡＣ１４の入力に接続される。次の送信データ（サンプル値）があるか否かを判断し（Ｓ１８）、送信データがある限り、ステップＳ１２からＳ１７を繰り返す。送信データの入力がない場合は（Ｓ１８でＮｏ）、処理を終了する。

図６は、ステップＳ１２のクリッピング処理の模式図である。量子化器１００のクリッパ１０１でクリッピング処理を受けるサンプル値Ｘ（ｎ）は、その振幅がＤＡＣ１４の最大入力電圧範囲を超えるように、振幅方向に引き延ばされている。サンプル値Ｘ（ｎ）の波形は、量子化器１００の内部、または外部で、振幅方向に拡張される。サンプル値Ｘ（ｎ）のうち、ＤＡＣ１４の最大入力電圧範囲を超える部分がクリップされ、ＤＡＣ１４の最大入力電圧範囲内にあるデータＸ'（ｎ）が得られる。クリッピングで生じた誤差は、クリッピング雑音ｃ_noiseとなる。

図７は、ステップＳ１３の量子化レベル候補決定の模式図である。クリッピング後のデータＸ'（ｎ）に対して、量子化レベル候補が決定される。この例では、データＸ'（ｎ）に最も近い量子化レベルＱ（ｎ）と、その上下の量子化レベルＱ（ｎ）＋Δ、及び、Ｑ（ｎ）－Δが候補として用いられる。ここで、Δは量子化のステップサイズである。

図８は、量子化器１００の具体的な処理構成を示す。量子化器１００に入力されたサンプル値Ｘ（ｎ）のうち、所定レベルを超える部分が、クリッパ１０１によりクリップされる。ノイズシェイパ１０３は、クリッピング後のデータＸ'（ｎ）に基づいて、量子化レベルの候補を複数、たとえば３つ、決定する。候補となる量子化レベルｑ'を、それぞれ
ｑ'＝Ｑ（ｎ）＋Δ
ｑ'＝Ｑ（ｎ）
ｑ'＝Ｑ（ｎ）－Δ
とする。ここで、Ｑ（ｎ）は、Ｘ'（ｎ）に最も近い量子化レベル、Δは量子化ステップサイズである。

ノイズシェイパ１０３は、各候補の量子化レベルｑ'と、クリッピング前のサンプル値Ｘ（ｎ）を減算器１０５に入力し、差分を各候補の雑音Ｓ_noiseとして算出する。各候補の雑音Ｓ_noiseにフィルタをかけることで、低周波雑音ＬＦ_noiseを取り出し、セレクタ１０４で、低周波雑音ＬＦ_noiseが最も小さくなる雑音Ｓ_noise(min|ＬＦ_noise|²)を選択する。この低周波領域での雑音が最小となるＳ_noise(min|ＬＦ_noise|²)を、便宜上、「最小雑音」と呼ぶ。

フィルタ処理では、選択された最小雑音Ｓ_noise(min|ＬＦ_noise|²)を、遅延器１０７で１シンボルサイクル遅らせる。乗算器１０８で、１シンボル前の最小雑音Ｓ_noise(min|ＬＦ_noise|²)に、係数ｈを乗算し、現在の雑音Ｓ_noiseにフィードバックする。フィードバックされる１シンボル前の最小雑音Ｓ_noise(min|ＬＦ_noise|²)は、クリッピング雑音と量子化雑音を併せて、低周波領域での雑音が最小となるように整形されている。

１シンボル前の最小雑音Ｓ_noise(min|ＬＦ_noise|²)は、加算器１０６で、現在の各候補の雑音Ｓ_noiseに加算される。これにより、各候補の雑音の高周波成分がキャンセルされ、低周波雑音ＬＦ_noiseが取り出される。セレクタ１０４は、現在の低周波雑音ＬＦ_noiseの中から最小の雑音を選択し、選択された最小雑音Ｓ_noise(min|ＬＦ_noise|²)を、後段の加算器１０９に供給するとともに、フィードバック処理を繰り返す。

加算器１０６、遅延器１０７、及び乗算器１０８で形成されるフィードバック回路は、１タップフィルタ１１１を形成する。乗算器１０８に設定される係数ｈを、「タップ係数ｈ」と呼んでもよい。１タップフィルタ１１１は、１シンボル前に整形された雑音を今回の雑音Ｓ_noiseに反映することで、高周波雑音をカットするローパスフィルタ、あるいはフィードバックイコライザとして機能する。

セレクタ１０４で選択された今回の雑音Ｓ_noise(min|ＬＦ_noise|²)は、加算器１０９で、クリッピング前のサンプル値Ｘ（ｎ）に加算される。この加算により、入力されたサンプル値Ｘ（ｎ）は、低周波領域での雑音が最も小さい量子化レベルｑ'(min|ＬＦ_noise|²)に量子化されたことになる。

量子化レベルｑ'(min|ＬＦ_noise|²)は、量子化器１００の出力として、ＤＡＣ１４に供給される。低周波領域でサンプル値Ｘ（ｎ）からの誤差が最小のデジタル信号がＤＡＣ１４に入力されるので、ＤＡＣ１４のビット分解能がそれほど高くなくても、誤差の少ないアナログ電圧信号が生成される。

量子化器１００は、単純にサンプル値Ｘ（ｎ）の振幅値に最も近い量子化レベルに量子化するのではなく、複数の量子化レベル候補の中から、クリッピング雑音と量子化雑音を含めて、雑音Ｓ_noiseの低周波成分が最小になる量子化レベルを選択する。したがって、量子化の精度を高める。

図９は、ノイズシェイパ１０３のフィルタ特性を示す。図９の（Ａ）は、１タップフィルタ１１１の周波数特性である。図９の（Ｂ）は、整形された雑音Ｓ_noise(min|ＬＦ_noise|²)のスペクトル、（Ｃ）は整形された雑音Ｓ_noise(min|ＬＦ_noise|²)を１タップフィードバック（等化）した後のフィルタ特性である。各図の横軸は周波数（ＧＨｚ）、縦軸は利得（ｄＢ）である。

図９の（Ａ）で、一般量子化雑音ａは、周波数軸に対してフラットなホワイトノイズの性質を持つ。タップ係数ｈを０．４、０．６、０．８、１．０と大きくすると、中心周波数（０ＧＨｚ）から離れた高周波領域での減衰が大きくなり、ローパスフィルタの形状が急峻になる。

図９の（Ｂ）で、整形された雑音Ｓ_noise(min|ＬＦ_noise|²)は、低周波領域で小さく、高周波領域で大きくなる。タップ係数ｈが大きいほど、スペクトルが急峻になり、低周波領域での雑音が小さくなる。

図９の（Ｃ）は、（Ｂ）のスペクトルを、（Ａ）のフィルタ特性にフィードバックした後のスペクトル形状である。図９の（Ｃ）のスペクトル形状は、（Ａ）と比較して、周波数軸に対してフラットに近づき、ホワイトノイズの性質をもつ。しかし、タップ係数ｈが大きいほど、雑音レベルが小さくなり、主信号に対する影響が少ない。すなわち、ＳＮＲが改善される。ただし、タップ係数は単純に大きくすればよいのではなく、後述するように、クリッピングの程度、ＤＡＣ１４のサンプリングレート等によって、最適なタップ係数が変わり得る。

図１０は、５つの量子化レベル候補の設定を示す。図１１は、５つの量子化レベル候補を用いた量子化器１００Ａの処理構成を示す。量子化器１００Ａは、クリッパ１０１と、ノイズシェイパ１０３Ａを有する。量子化レベルの候補の数が増えたことを除いて、量子化器１００Ａの処理構成は、図８の量子化器１００の処理構成と同じである。

量子化器１００Ａに入力されたサンプル値Ｘ（ｎ）のうち、所定レベル、たとえば、ＤＡＣ１４の最大入力電圧範囲を超える部分がクリッパ１０１によりクリッピングされる。サンプル値Ｘ（ｎ）は、クリッパ１０１に入力される前、あるいは、クリッパ１０１の内部で、振幅方向に引き延ばされてもよい。

ノイズシェイパ１０３Ａは、クリッピング後のデータＸ'（ｎ）に基づいて、量子化レベルの候補を決定する。候補となる量子化レベルｑ'を、それぞれ
ｑ'＝Ｑ（ｎ）＋２Δ
ｑ'＝Ｑ（ｎ）＋Δ
ｑ'＝Ｑ（ｎ）
ｑ'＝Ｑ（ｎ）－Δ
ｑ'＝Ｑ（ｎ）－２Δ
とする。

各候補の量子化レベルｑ'と、クリッピング前のサンプル値Ｘ（ｎ）を減算器１０５に入力し、差分を各候補の雑音Ｓ_noiseとして算出する。各候補の雑音Ｓ_noiseに１タップフィルタ１１１を適用することで、低周波雑音ＬＦ_noiseを取り出し、セレクタ１０４で、低周波雑音ＬＦ_noiseの絶対値が最も小さい雑音Ｓ_noise(min|ＬＦ_noise|²)を選択する。

選択された最小の雑音Ｓ_noise(min|ＬＦ_noise|²)は、遅延器１０７で１シンボルサイクル遅延されるとともに、加算器１０９で、今回のサンプル値Ｘ（ｎ）に加算される。この加算により、低周波領域での雑音が最小の量子化レベルｑ'(min|ＬＦ_noise|²)が選択されたことになる。ＤＡＣ１４のビット分解能が低くても、量子化された信号のスペクトル以内の雑音を低減できるので、誤差の少ないアナログ電圧信号が生成される。

＜効果検証＞
図１２は、効果検証のためのシミュレーションモデルの模式図である。送信ＤＳＰ１１２で信号処理を行って、サンプル値Ｘ（ｎ）を出力する。ＤＡＣ量子化器１１０で、上述した量子化を行い、量子化されたデジタル値からアナログ電圧信号を生成して光変調器を駆動する。光変調器から出力される光信号に、ＯＳＮＲに基づいて雑音を追加する。受信側で、光信号を電気信号に変換し、ＡＤＣ量子化器２１０でアナログデジタル変換し、受信ＤＳＰ２１２でデジタル信号処理する。受信側ＡＤＣのビット分解能を５ビットに固定する。この場合、電圧値は３２段階で表現される。

図１３は、条件１でのＯＳＮＲ耐性の比較結果を示す。条件１は、ＤＡＣのビット分解能が３ビット、ＤＡＣのサンプリング速度は２ｓｐｓ、主信号はナイキスト整形された１６ＱＡＭ信号、ロールオフ率は０．１である。横軸はＯＳＮＲ（ｄＢ）、縦軸はＱ値（ｄＢ）である。

ラインＡは、実施形態の量子化器１００で３０％のクリッピングを行ったときのＯＳＮＲ耐性を示す。ラインＢは、図２の量子化モデル２に３０％クリッピングを導入したときのＯＳＮＲ耐性を示す。ラインＣは、図２の量子化モデル２のＯＳＮＲ耐性を示す。

量子化モデル２に３０％クリッピングを適用することで、Ｑ値が改善される。しかし、３０％クリッピングを導入し、かつＯＳＮＲを高くしても、ＦＥＣリミット（ＢＥＲ５．２ｅ^－５）を下回る。これに対し、実施形態の量子化器１００で、量子化雑音だけではなく、クリッピング雑音の低周波領域の雑音量も最小にしたことで、低ビット分解能のＤＡＣを用いて、ＦＥＣリミットを超えることができる。

図１４は、条件２でのＯＳＮＲ耐性の比較結果を示す。条件２は、ＤＡＣのビット分解能が２ビット、ＤＡＣのサンプリング速度は２ｓｐｓ、主信号はナイキスト整形された１６ＱＡＭ信号、ロールオフ率は０．１である。条件１よりも、ＤＡＣのビット分解能がさらに低い。

ラインＡは、実施形態の量子化器で３０％のクリッピングを行ったときのＯＳＮＲ耐性を示す。ラインＣは、図２の量子化モデル２のＯＳＮＲ耐性を示す。ＦＥＣリミットは、ＢＥＲ２．３ｅ^－２である。実施形態の量子化器１００を用いることで、量子化モデル２と比較して、Ｑ値が３ｄＢ近く改善される。

図１５は、条件３でのＯＳＮＲ耐性の比較結果を示す。条件３は、ＤＡＣのビット分解能が３ビット、ＤＡＣのサンプリング速度は２ｓｐｓ、主信号はナイキスト整形された６４ＱＡＭ信号、ロールオフ率は０．１である。条件１及び２と比較して、多値度の高い変調方式が採用されている。

ラインＡは、実施形態の量子化器で３０％のクリッピングを行ったときのＯＳＮＲ耐性を示す。ラインＣは、図２の量子化モデル２のＯＳＮＲ耐性を示す。ＦＥＣリミットは、ＢＥＲ２．３ｅ^－２である。

実施形態の量子化器で量子化雑音及びクリッピング雑音を低周波領域で最小化することで、変調多値度が高くなっても、ＦＥＣリミットを超えることができる。量子化モデル２では、ＯＳＮＲを高くしても、ＦＥＣリミットを超えることができない。

図１３から図１５により、実施形態の量子化器１００によるＱ値の改善効果が確認される。また、ビット分解能が低いＤＡＣを用いても、要求される信号品質を維持できることがわかる。

＜タップ係数ｈの設定＞
次に、タップ係数ｈの設定について説明する。タップ係数ｈの値によって、量子化雑音（クリッピング雑音を含む）を抑える効果が異なる。図９を参照して説明したように、一般的には、タップ係数ｈが大きいほど、低周波領域での雑音は小さくなるが、雑音抑制の効果には限界がある。雑音抑制の限界値は、雑音のスペクトル形状やＤＡＣのスペックに依存する。

図１６は、最適タップ係数のクリッピング強さ及びＤＡＣサンプリングレートへの依存性を示す。横軸はタップ係数、縦軸はＱ値改善効果（ｄＢ）を表す。図１６の（Ａ）はクリッピングなし、（Ｂ）は２０％クリッピング、（Ｃ）は３０％クリッピングで、それぞれＤＡＣサンプリングレートを変えたときのＱ値改善効果（ｄＢ）を示す。Ｑ値の改善効果は、上述した図１３の条件２に基づいて計算している。

図１６の（Ａ）でクリッピングを行わない場合、ＤＡＣのサンプリング速度に依らず、タップ係数ｈを０．８に設定することで、１タップフィルタ１１１の雑音低減効果が最も大きくなる。

図１６の（Ｂ）の２０％クリッピングの場合、ＤＡＣのサンプリング速度が１．３ｓｐｓと１．８ｓｐｓのときは、タップ係数ｈを０．８に設定することで、雑音低減効果が大きく、Ｑ値が改善される。ＤＡＣのサンプリング速度が１．５ｓｐｓのときは、タップ係数ｈは０．４から０．９の間の任意の値をとり得る。

図１６の（Ｃ）の３０％クリッピングの場合、ＤＡＣのサンプリング速度が１．８ｓｐｓのときは、タップ係数ｈを０．８に設定することで、最大のＱ値改善効果が得られる。ＤＡＣのサンプリング速度が１．５ｓｐｓのときは、タップ係数ｈを０．５に設定することで、最大のＱ値改善効果が得られる。ＤＡＣのサンプリング速度が１．３ｓｐｓのときは、タップ係数ｈは０．３から０．６の間の任意の値をとり得る。

実施形態の量子化器１００（または１００Ａ）を用いる場合、クリッパ１０１に設定されるクリッピングの強さと、ＤＡＣ１４のサンプリングレートを考慮して、ノイズシェイパ１０３の１タップフィルタ１１１のタップ係数ｈを最適化することができる。

図１７は、最適タップ係数の選択方法のフローチャートである。光送信機１０の実サービスに先立って、量子化器１００の１タップフィルタ１１１に設定されるタップ係数ｈを最適化する。タップ係数ｈの値を、最小値から最大値（ｈ＝１．０）まで振って、信号スペクトルの形状に基づいて主信号に含まれる雑音量を確認し、雑音量が最小になるタップ係数の値を選択する。この処理は、量子化器１００で行われる。

まず、量子化器１００の１タップフィルタ１１１に、タップ係数ｈを設定する（Ｓ２１）。処理開始の直後は、初期値として、タップ係数ｈを振る範囲の最小値または最大値を設定してもよい。そのタップ係数ｈで、整形された雑音、すなわち低周波雑音が最小化された雑音Ｓ_noise(min|ＬＦ_noise|²)を決定する（Ｓ２２）。

信号のスペクトル形状を用意して（Ｓ２３）、整形された雑音Ｓ_noise(min|ＬＦ_noise|²)に信号スペクトル形状を乗算する（Ｓ２４）。これにより、信号スペクトル以内の成分、すなわち雑音成分が分かる。雑音成分のパワーを算出して、量子化器１００の内部または外部のメモリに保存する（Ｓ２５）。タップ係数ｈに設定すべき他の値がある場合は（Ｓ２６でＹＥＳ）、タップ係数ｈの値を更新し（Ｓ２７）、ステップＳ２１からＳ２５を繰り返す。他の係数値がない場合は（Ｓ２６でＹＥＳ）、雑音が最小パワーのタップ係数ｈ_opを選択して（Ｓ２８）、処理を終了する。

これにより、量子化器１００の１タップフィルタ１１１に最適なタップ係数ｈを設定することができる。

図１８は、ナイキストスペクトル情報を用いたタップ係数最適化のブロック図である。主信号がナイキストパルスである場合、図１７のＳ２４のスペクトル形状として、ナイキスト整形されたスペクトルを用いてもよい。この場合、信号処理器１２Ａは、ナイキストパルスを生成する。

ＰＲＢＳ（Pseudo-Random Binary Sequence：疑似ランダムビット列）ジェネレータ２２１は、疑似ランダムビット列を生成する。ＦＥＣプリコーダ１２２は、ビット列に前方誤り訂正符号を付加する。コンステレーションマッパ１２３は、誤り訂正符号が付加されたビット列を、コンステレーション上のシンボル点にマッピングする。アシスタント信号挿入器１２４は、シンボル点のそれぞれに、既知のアシスタント信号を挿入する。

プリエンファシス及びナイキストシェイパ２２５は、偏波ごとに、プリエンファシスとナイキスト整形を行う。リサンプラ２２６は、ナイキスト整形されたバルスを、ＡＷＧ（Arbitrary Waveform Generator：任意波形生成器）、すなわちＰＲＢＳジェネレータと整合するようにリサンプリングする。リサンプリングされたサンプル値Ｘ（ｎ）は、量子化器１００に入力される。

量子化器１００は、光送信機１０の実サービスに先立って、図１７の処理を行い、１タップフィルタ１１１に設定するタップ係数ｈを最適化する。量子化器１００で、タップ係数ｈに順次、係数値を設定し、低周波雑音が最小になるように整形された雑音Ｓ_noise(min|ＬＦ_noise|²)に、ナイキストパルスのスペクトル形状を乗算して、雑音成分のパワーを算出する。全係数値の中で、雑音パワーが最小になる係数値を、タップ係数ｈとして選択する。１タップフィルタ１１１で最適なタップ係数ｈを用いることで、量子化の精度が向上する。

図１９は、伝送路の透過特性情報を用いたタップ係数最適化のブロック図である。伝送路の帯域制限より早いスピードで信号を送信する場合に、信号スペクトルを伝送路の透過特性に基づいて整形する際に、図１７のＳ２４のスペクトル情報として、伝送路の透過スペクトルを用いることができる。信号処理器１２Ｂは、ＴＨＰ（Tomlinson-Harashima Precoding）処理を行う。ＴＨＰは、伝送路の符号間干渉を送信側で補償する波形等化技術である。

ＦＥＣプリコーダ１２２は、送信データ１２１に前方誤り訂正処理を施す。コンステレーションマッパ１２３は、誤り訂正処理されたデータを、コンステレーション上のシンボル点にマッピングする。アシスタント信号挿入器１２４は、シンボル点のそれぞれに、既知のアシスタント信号を挿入する。ＴＨＰ回路２３４は、伝送路の符号間干渉をあらかじめ補償する。たとえば、各シンボル点のデータ符号化技術によって、信号スペクトルを伝送路の透過特性に基づいて整形する。

プリエンファシス及びパルスシェイパ１２５は、偏波ごとに、プリエンファシスとパルス整形を行う。リサンプラ２２６は、ＴＨＰ補償とパルス整形を受けたバルスを、ＡＷＧと整合するようにリサンプリングする。リサンプリングされたサンプル値Ｘ（ｎ）は、量子化器１００に入力される。

量子化器１００は、光送信機１０の実サービスに先立って、図１７の処理を行い、１タップフィルタ１１１に設定するタップ係数ｈを最適化する。量子化器１００で、タップ係数ｈに順次、係数値を設定し、低周波雑音が最小になるように整形された雑音Ｓ_noise(min|ＬＦ_noise|²)に、伝送路の透過特性を乗算して、雑音成分のパワーを算出する。全係数値の中で、雑音パワーが最小になる係数値を、タップ係数ｈとして選択する。

図１８及び図１９の構成により、実際に用いられるナイキストパルスや伝送路の特性に応じた最適なタップ係数ｈを量子化器１００に設定することができる。その結果、低周波雑音の低減効果を向上して、光変調器１７を駆動するアナログ駆動信号の精度を上げ、送信信号のＱ値を向上することができる。

以上、特定の構成例に基づいて実施形態を説明してきたが、本発明は上述した構成例に限定されない。たとえば、量子化レベルの候補数は、ＤＡＣ１４のビット分解能に応じて２以上の適切な数にしてもよい。クリッピングする割合は、ＤＡＣ１４の最大入力電圧範囲を考慮して１０％、２０％など、適切に設定することができる。

１０ 光送信機
１２、１２Ａ、１２Ｂ 信号処理器
１４ ＤＡＣ
１５ ＤＳＰ
１６ 光源
１７ 光変調器
１００、１００Ａ 量子化器
１０１ クリッパ
１０３ ノイズシェイパ
１０４ セレクタ
１０５ 減算器
１０６、１０９ 加算器
１０７ 遅延器
１０８ 乗算器
１１１ １タップフィルタ（フィルタ）

Claims (9)

1. 所定のレートでサンプリングされたサンプル値の量子化レンジを超える部分をクリップするクリッパと、
   クリップされたサンプル値に基づいて量子化レベルの候補を複数決定し、各候補に生じる雑音の中で低周波領域の雑音が最小となる最小雑音を、クリッピング前の前記サンプル値に加算した値を量子化値として出力するノイズシェイパと、
   を有する量子化器。
2. 前記雑音は、クリッピングにより生じるクリッピング雑音と、量子化により生じる量子化雑音とを含む、
   請求項１に記載の量子化器。
3. 前記雑音の低周波成分を取り出すフィルタ、
   をさらに有する請求項１または２に記載の量子化器。
4. 前記フィルタは、
   各候補の前記雑音に、１シンボル前の最小雑音を加算する加算器と、
   今回の前記最小雑音を１シンボルサイクル遅延させる遅延器と、
   前記遅延器で遅延された前記最小雑音に係数を乗算する乗算器と、
   を含み、前記乗算器の出力が前記加算器の入力に接続されている、
   請求項３に記載の量子化器。
5. 前記係数は、主信号のスペクトル形状または伝送路の透過特性に応じて、前記雑音のパワーを最小にする値に設定されている、
   請求項４に記載の量子化器。
6. 前記加算器の出力の中から前記最小雑音を選択するセレクタ、
   を有する請求項４または５に記載の量子化器。
7. クリッピング前の前記サンプル値に前記最小雑音を加算する第２加算器、
   を有する請求項１から６のいずれか１項に記載の量子化器。
8. 前記サンプル値を出力する信号処理器と、
   請求項１から７のいずれか１項に記載の量子化器と、
   前記量子化値をアナログ変換するデジタルアナログ変換器と、
   前記デジタルアナログ変換器の出力に基づいて駆動される光変調器と、
   を有する光送信機。
9. 前記クリッパに入力される前記サンプル値は、前記デジタルアナログ変換器の最大入力電圧範囲を超えるように振幅方向に引き延ばされている、
   請求項８に記載の光送信機。

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